escuela politÉcnica nacional...resistencia de los metales, que se opone al paso de corriente,...
TRANSCRIPT
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
ESCUELA DE FORMACIÓN DE TECNÓLOGOS
IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL EN LA
SOLDADORA DE RESISTENCIA POR PUNTOS MARCA ‘KYWI’
OPERADA POR PIE, DEL LABORATORIO DE SOLDADURA DE LA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE TECNÓLOGO EN
ELECTROMECÁNICA
EDWIN AUGUSTO VILLACIS PAVÓN
DIRECTOR: ESTEBAN JAVIER JÁTIVA POZO
Quito, Agosto 2017
ii
DECLARACIÓN
Yo, Edwin Augusto Villacís Pavón, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.
Edwin Augusto Villacís Pavón
iii
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Edwin Augusto Villacís Pavón, bajo mi supervisión.
Ing. Esteban Játiva
DIRECTOR DE PROYECTO
Ing. Carlos Díaz
CODIRECTOR DE PROYECTO
iv
AGRADECIMIENTOS
A la Escuela de Formación de Tecnólogos de la EPN, por los
conocimientos impartidos a lo largo de estos años de preparación
universitaria.
A mis padres por su apoyo constante que me han brindado desde la
infancia
Al Ing. Esteban Játiva Director del proyecto de titulación, al Ing. Carlos
Díaz Codirector del proyecto de titulación y al Ing. Vicente Toapanta por
sus ideas al inicio de mi proyecto
A Dios que me ha permitido conseguir este logro
A los profesores de la ESFOT por compartir sus conocimientos, a mis
compañeros por darme una mano en algún momento de mi carrera
universitaria y a Don Cesar que colaboró durante muchos años en el
laboratorio de soldadura
v
DEDICATORIA
A mis padres
Edwin Villacís Flores
María Teresa Pavón
vi
ÍNDICE DE CONTENIDOS
1. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………….1
1.1. OBJETIVO GENERAL……………………………………………………………2
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS………………………………………………….....2
1.3. MARCO CONCEPTUAL………………………………………………………....3
2. EJECUCIÓN………………………………………………………..…………....10
2.1. DISEÑO DEL SISTEMA NEUMÁTICO……………………………..………...10
2.2. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL………………………………..…….21
2.3. IMPLEMENTACIÓN DEL PROYECTO………………………………..……...31
2.4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO…………………………………..………39
3. RESULTADOS OBTENIDOS………………………………….……………....44
3.1. ANALISIS DE RESULTADOS………………………………………….……...44
3.2. CONCLUSIONES………………………………………………………….……47
3.3. RECOMENDACIONES…………………………………………………………48
BIBLIOGRAFÍA Y ANEXOS………………………………………………………..…..48
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………………….….48
ANEXO A: MANUALES TÉCNICOS……………………………………………….....50
ANEXO B: PLANOS O DIAGRAMAS ELÉCTRICOS…………………………….…57
vii
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.0. Soldadora de resistencia por punto marca KYWI………………………………………………………….2
Figura 1.1. Esquema del proceso de soldadura por puntos………………………………………………………......3
Figura 1.2. Efecto de la corriente de soldadura sobre la resistencia mecánica al cizallamiento de la
soldadura por puntos.……………………………………………..……………………………………………………………….…..5
Figura 1.3. Resistencia mecánica a la tensión de corte en términos del tiempo de soldadura……….6
Figura 1.4. Ciclograma de soldadura de resistencia por punto………………………………………………………7
Figura 1.5. Circuito de soldadura por puntos monofásico…………………………………………………….….……9
Figura 1.6. Vista lateral derecha de la máquina soldador…………………………………………………………....11
Figura 1.7. Diagrama de fuerzas al ser aplicado un esfuerzo por el pie del operario. …………………..11
Figura 1.8. Sistema de resortes y pesas la soldadora. ……………………………………………….………..……….12
Figura 1.9. Esquema del cilindro neumático.……………………..………………………………………………………..16
Figura 2.0 Descomposición de la fuerza que desarrolla el cilindro neumático.………….…….…….……19
Figura 2.1 Cámaras de un cilindro de doble efecto.……………………………………………………………….…….21
Figura 2.2. Logo! OBA6………………..………………………………………………..……………………………….……………23
Figura 2.3. Conmutador de derivaciones conectado al primario del transformador…………………....24
Figura 2.4. Panel de visualización Logo! TD……………………………………………………………………………….,.25
Figura 2.5. Esquema de programación del encendido de la fuente de presión. ………….……….……..28
Figura 2.6. Esquema de programación del tiempo de compresión.………………………………………..……28
Figura 2.7. Esquema de programación del tiempo de soldadura en modo automático……….….…...29
Figura 2.8. Esquema de programación del tiempo de forja………………….……………………………………...29
Figura 2.9. Esquema de programación del paro de emergencia…………………………………………….…….30
Figura 3.0. Esquema de programación del tiempo de soldadura en modo manual……………………...30
Figura 3.1. Esquema de programación del texto en logo! TD..........................................................31
Figura 3.2. Varios métodos de fijación del cilindro……………………………………………………..….……….....32
Figura 3.3. Cilindro neumático instalado en la máquina………………………………………………………….…..33
Figura 3.4. Pedal eléctrico y pedal genuino de la máquina……………………………………………………….….33
Figura 3.5. Electroválvula MSVC -220-3E2 instalada en la soldadora……………………………………….…..34
Figura 3.6. Unidad de mantenimiento de aire comprimido MACP300-8A………………………………….…35
Figura 3.7. Gabinete de control de servicio liviano con placa de montaje color naranja……….……..35
Figura 3.8. Ubicación del gabinete de control……..………………..………………………………………….…………36
Figura 3.9. Lámina de fondo con dispositivos de mando y protección instalados………………….……..38
viii
Figura 4.0. Interfaz de la soldadora de punto………………………………………………………………………………38
Figura 4.1. Periodo de compresión…………………………………………………..............................................39
Figura 4.2. Periodo de soldadura…………………………………………………………………………………………………40
Figura 4.3. Periodo de forja……………………….………………………………………………………………………………..40
Figura 4.4. Pepita obtenida en modo automático con piezas 0.025 pulgadas…..………………………….41
Figura 4.5. Pepita obtenida en modo manual con piezas 0.025 pulgadas………………………………….…41
Figura 4.6. Pepita obtenida en modo automático con piezas 0.030 pulgadas………………………………42
Figura 4.7. Pepita obtenida en modo manual con piezas 0.030 pulgadas………………….…………………42
Figura 4.8. Pepita obtenida en modo automático con piezas 0.040 pulgadas…..……………………….…43
Figura 4.9. Pepita obtenida en modo manual con piezas 0.040 pulgadas..………………………….…...….43
.
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Programas sugeridos para soldar por puntos láminas de acero de bajo carbono sin
recubrimiento……………………………………………..……………………………………………………………………………..10
Tabla 2. Diámetros de pistones y vástagos de los cilindros neumáticos…………………..…………………18
Tabla 3. Presiones de entrada al circuito neumático………………………………………………..…………………23
Tabla 4. Parámetros de puntos de soldadura obtenidos en modo manual y en modo
automático………………………………………………………………………………………………………………………………….45
1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
El laboratorio de soldadura de la E.P.N cuenta con la soldadora de resistencia por
punto marca KYWI accionada al aplastar un pedal con el pie, como se ve en la
figura 1. La máquina se encuentra en malas condiciones porque no presenta el
dispositivo de maniobra del circuito de control para regular los ciclos de trabajo, en
su interior existen alambres sueltos sin conectar, su funcionamiento es limitado para
el usuario y no posee las características industriales necesarias para obtener una
soldadura de punto de calidad.
Se implementará un sistema de control que se compone de un relé lógico
programable LOGO! OBA6, un panel visualización que posee varios botones para
el ingreso del tiempo de soldadura, un selector para operar la máquina de manera
manual o automática, un pedal eléctrico para empezar el proceso automáticamente,
un botón de emergencia para detener el proceso en cualquier momento y luces
piloto de encendido y apagado.
El sistema de control activa un circuito neumático, que consiste en un módulo de
mantenimiento de aire comprimido, una electroválvula y un cilindro de doble efecto
que ejecuta el movimiento de los electrodos para aplicar el esfuerzo necesario
sobre las placas metálicas a soldar.
La máquina se accionará en modo manual o automático y el tiempo de soldadura
se controlará de manera digital. La implementación del proyecto estará compuesta
de dispositivos de control que son aplicados actualmente en la industria.
2
Figura 1. Soldadora de resistencia por punto marca KYWI
1.1. OBJETIVO GENERAL
Implementar un sistema de control en la soldadora de resistencia por puntos marca
‘KYWI’ operada por pie, del laboratorio de soldadura de la facultad de Ingeniería
Mecánica.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Ø Analizar el proceso de soldadura de resistencia por punto.
Ø Describir la estructura y el funcionamiento de la máquina soldadora marca Kywi
del laboratorio de soldadura.
Ø Seleccionar el sistema de control adecuado para automatizar la soldadora.
Ø Establecer la variable que opera la soldadora para la implementación del
sistema de control en la máquina.
3
Ø Calcular la dimensión de los elementos que van a ser usados en el sistema de
control.
Ø Describir como se implementará el sistema de control para automatizar la
soldadora.
1.3. MARCO CONCEPTUAL
1.3.1. LA SOLDADURA DE PUNTOS
Es el proceso por el cual dos piezas no se sueldan a lo largo de toda la superficie
de contacto, sino en determinados puntos, los que corresponden a los contactos
entre las piezas y los electrodos (en forma de varillas) que transmiten el esfuerzo y
conducen la corriente como se puede ver en figura 1.1. El calor originado por la
resistencia de los metales, que se opone al paso de corriente, produce la unión de
las piezas en las superficies presionadas.
Figura 1.1. Esquema del proceso de soldadura por puntos (Chulóshnikov, 1978).
En la soldadura por puntos, se produce una pepita de metal en el sitio donde
presiona el electrodo. La resistencia eléctrica del metal en el lugar apretado entre
los electrodos representa en sí la suma de las siguientes resistencias:
4
· Dos resistencias de contacto que surgen en los puntos de contacto de los
electrodos y piezas.
· Una resistencia de contacto en el lugar donde se junta una pieza y la otra.
· Una resistencia intrínseca del metal de las dos piezas.
Basándose en experimentos externos se ha determinado que la resistencia de
contacto entre el electrodo y la pieza es aproximadamente dos veces menor que la
resistencia de contacto entre las piezas que se sueldan (Chulóshnikov, 1978).
Al conectar la corriente de soldadura, a costa de la concentración de líneas de
corriente, se calientan los resaltos del contacto como se ve en la figura 1.1a, y luego
el metal que se encuentra en la proximidad inmediata al contacto. Los electrodos
que se usan durante la soldadura por puntos se fabrican de aleaciones de cobre
que tienen alta conductibilidad térmica. (Chulóshnikov, 1978)
1.3.2. PARÁMETROS DEL PROCESO DE SOLDADURA
Los principales parámetros del proceso de soldadura de contacto son: corriente de
soldadura, tiempo de soldadura (ciclos) y esfuerzo de presión sobre las piezas a
soldar.
La intensidad de corriente fundamentado en la fórmula del calor: Q = I2Rt, tiene
un efecto más grande sobre la generación de calor que la resistencia o el tiempo;
por tanto es una variable que debe controlarse, se mide en amperios [A] o
kiloamperios [KA]. Dos factores que causan variaciones en la corriente de
soldadura son las fluctuaciones de voltaje en la línea y las variaciones en la
impedancia del circuito secundario en las máquinas de CA. Las variaciones de la
impedancia se deben a cambios en la geometría del circuito o a la introducción de
masas variables de metales magnéticos en el circuito secundario de la máquina.
Además de las variaciones en la magnitud de la corriente de soldadura, un aumento
en el área de la cara de los electrodos reducirá la densidad de corriente y el calor
de soldadura. Esto puede causar un decremento significativo de la resistencia
5
mecánica de la soldadura. Se requiere una densidad de corriente mínima durante
un tiempo finito para producir fusión en la cara interna de las piezas. Es preciso
generar suficiente calor para vencer las pérdidas de temperatura hacia el metal
base adyacente y los electrodos. El tamaño de la pepita de soldadura y su
resistencia mecánica aumentan rápidamente al incrementar la densidad de
corriente. Una densidad de corriente excesiva causará expulsiones del metal
fundido, depresiones profundas en las piezas y provocará el sobrecalentamiento y
rápido deterioro de los electrodos. En la figura 1.2 se muestran las variaciones
típicas de la resistencia mecánica al cizallamiento de soldaduras de puntos en
términos de la magnitud de la corriente (American Welding Society, 1996).
Figura 1.2. Efecto de la corriente de soldadura sobre la resistencia mecánica al
cizallamiento de la soldadura por puntos (American Welding Society, 1996).
Durante una operación de soldadura por puntos, se requiere un cierto tiempo
mínimo para alcanzar la temperatura de fusión con una densidad de corriente
adecuada. El calor total generado es proporcional al tiempo de soldadura. La
velocidad de generación de calor debe ser tal que se produzcan soldaduras con la
resistencia mecánica adecuada sin un calentamiento excesivo ni deterioro rápido
de los electrodos.
La transferencia de calor es función del tiempo y el desarrollo de una pepita del
tamaño adecuado requiere un tiempo mínimo, independiente del amperaje. En la
figura 1.3 se muestra un ejemplo de la relación entre el tiempo de soldadura y la
6
resistencia mecánica al cizallamiento de la soldadura por puntos, suponiendo que
todas las demás condiciones se mantienen constantes (American Welding Society,
1996).
Figura 1.3. Resistencia mecánica a la tensión de corte en términos del tiempo de
soldadura (American Welding Society, 1996).
El tiempo de soldadura se mide en ciclos, cada ciclo es 1/60 [s]. Los ciclos de
soldadura van desde medio ciclo (1/120 [s]) para láminas muy delgadas hasta
varios segundos para placas gruesas.
La presión de soldadura se produce por la fuerza que los electrodos ejercen sobre
la unión, se mide en kilogramos fuerza [kgf]. La resistencia R en la fórmula del calor
cambia con la presión de soldadura debido al efecto de ésta sobre la resistencia de
contacto en la zona entre piezas de trabajo.
Las superficies de los componentes mecánicos, a escala microscópica, son una
serie de picos y valles. Cuando se someten a presiones leves, el contacto metal-
metal real solo ocurrirá solo en los picos que se toquen, lo cual representa un
porcentaje pequeño del área de contacto, por tanto la resistencia de contacto será
7
alta. Al aumentar la presión, la resistencia de contacto y el calor generado en las
piezas a soldar disminuirán si los demás factores son iguales.
El cierre del circuito eléctrico a través de los electrodos y la ejecución de la
soldadura se aseguran mediante la aplicación de una fuerza con los electrodos.
Esta fuerza se produce con dispositivos neumáticos, hidráulicos, magnéticos o
mecánicos. La presión ejercida en los metales a soldar depende del área de las
caras de los electrodos que están en contacto con las piezas de trabajo. Las
funciones de esta fuerza o presión son:
Ø Establecer un contacto mínimo entre las diversas caras internas.
Ø Reducir la resistencia de contacto inicial en las caras internas.
Ø Suprimir la expulsión de metal fundido de la unión.
Ø Consolidar la pepita de soldadura.
En el siguiente ciclograma se observa los parámetros principales de un proceso
de soldadura por puntos en función del tiempo.
Figura 1.4. Ciclograma de soldadura de resistencia por punto
(Chulóshnikov, 1978).
Estos parámetros determinan el aspecto exterior, las dimensiones de la zona
fundida y la resistencia mecánica de la unión. (Chulóshnikov, 1978)
1.3.3. PROCESO DE SOLDADURA
El proceso de soldadura por puntos consiste básicamente en cuatro fases:
8
1. Tiempo de compresión (squeeze): es el intervalo de tiempo para asegurar que
los electrodos hagan contacto con las piezas metálicas y ejerzan la fuerza
máxima antes de aplicar la corriente de soldadura.
2. Tiempo de soldadura (weld): es el tiempo durante el cual se aplica corriente de
soldadura a las piezas de trabajo.
3. Tiempo de forja (hold): es el tiempo durante el cual se mantiene la fuerza
aplicada a las piezas después del término del último impulso de corriente;
durante este periodo, la pepita de soldadura se solidifica y se enfría hasta
adquirir suficiente resistencia mecánica.
4. Tiempo inactivo (off): es el tiempo durante el cual los electrodos se despegan de
las piezas y vuelven a su posición inicial para realizar otro punto (American
Welding Society, 1996).
1.3.4. EQUIPO DE SOLDADURA
El equipo de soldadura de puntos consiste en tres elementos básicos: un circuito
eléctrico, el equipo de control y un sistema mecánico (American Welding Society,
1996).
1. El circuito eléctrico comprende un transformador de soldadura, un contactor y
un circuito secundario, como se ve en la figura 1.5. El circuito secundario incluye
los electrodos que conducen la corriente de soldadura a las piezas de trabajo.
La máquina soldadora convierte la potencia de línea de 60Hz en potencia de
bajo voltaje y alto amperaje en su circuito secundario. Dependiendo del espesor
y del tipo de material que se va a soldar, las corrientes pueden ir desde 1000
hasta 100000 amperios.
2. El equipo de control de soldadura inicia e interrumpe el suministro de corriente
al transformador de soldadura, controla la magnitud de la corriente y acciona los
mecanismos de fuerza de los electrodos en el momento apropiado.
9
3. En los sistemas mecánicos de las máquinas de soldadura por puntos, los
electrodos se acercan a las piezas de trabajo y retroceden a intervalos
controlados. La fuerza de los electrodos se aplica mediante mecanismos
hidráulicos, neumáticos, magnéticos o mecánicos. La magnitud de esta presión
debe adecuarse a la composición y el espesor del metal y a la geometría de las
piezas.
Figura 1.5. Circuito de soldadura por puntos monofásico
(American Welding Society, 1996).
1.3.5. TIPOS Y DIMENSIONES DE LAS UNIONES.
Como un resumen de la relación entre las variables de la soldadura de resistencia
por puntos y la resistencia mecánica de la unión, la tabla 1 lista los valores
sugeridos para dichas variables al soldar acero de bajo carbono no recubierto, y
muestran las resistencias mecánicas al cizallamiento mínimas y a los diámetros de
pepita resultantes. La resistencia mecánica de un punto de soldadura sometido a
fuerzas de corte la determina el área de sección transversal de la pepita en el plano
de las superficies de empalme. El diámetro de la pepita mínimo es único para el
tipo de material base, condición superficial y, si aplica, tipo de recubrimiento
(American Welding Society, 1996).
10
Tabla 1. Programas sugeridos para soldar por puntos láminas de acero de bajo
carbono (American Welding Society, 1996).
CAPÍTULO 2
EJECUCIÓN
2.1. DISEÑO DEL SISTEMA NEUMÁTICO.
La soldadora de resistencia por puntos requiere una fuente de presión neumática
que aplique la fuerza necesaria para asegurar un buen contacto entre las partes
que van a ser soldadas, y para mantener las piezas fijas hasta que el metal derretido
que forma la junta sólida tenga tiempo de solidificarse.
2.1.1. ESFUERZO QUE DEBE DESARROLLAR EL SISTEMA NEUMÁTICO.
Un operario común aplica un esfuerzo aproximado de 50 kgf sobre el pedal de la
máquina para producir el acercamiento de los electrodos hacia las piezas a soldar,
en la siguiente figura se observa la vista lateral de la máquina.
11
Figura. 1.6. Vista lateral derecha de la máquina soldador.
Por tanto se efectúa un diagrama de fuerzas, donde se representa la fuerza
aplicada por el pie del operario sobre el extremo del brazo que se extiende fuera de
la soldadora. La fuerza F1 hecha por el pie desarrolla un torque T2 (a través de las
extensiones de hierro fundido que se acoplan sobre un pivote) en el extremo de la
estructura triangular que está dentro de la máquina, como se muestra en la figura
1.7.
La fuerza F2 es transmitida por medio del mecanismo de pesas y resortes a la
consola superior para que los electrodos ejerzan la presión de soldadura, como se
observa en la figura 1.8.
Figura. 1.7. Diagrama de fuerzas al ser aplicado un esfuerzo por el pie del
operario.
Pedal
Brazo exterior
Pivote
Estructura
Triangular
12
Figura 1.8. Sistema de resortes y pesas de la soldadora
La sumatoria de momentos en condiciones de equilibrio es cero como se observa
en la ecuación 2.1.
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"M = 0!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.1) Dónde:
∑ M es la sumatoria de momentos en el pivote. Es decir la sumatoria de torques es
cero:
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!T# $ T% = 0!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.2) (F# & !d#) $!(F% & d%) = 0
F# & !d# = F% & d% Dónde:
T1 es el torque ejercido por el pie del usuario.
T2 es el torque obtenido en la base del sistema de resortes y pesas.
F1 es el esfuerzo que hace el usuario al aplastar el pedal.
F2 es el esfuerzo obtenido en el extremo del brazo interno de la soldadora.
13
d1 es la distancia desde el pivote hasta el pedal.
d2 es la distancia desde el pivote hasta el extremo del brazo interno de la máquina.
Entonces el Torque T2 se iguala con el Torque T1 y se obtiene la siguiente ecuación
(2.3) que permite obtener la fuerza F2 desarrollada por la estructura triangular
encontrada en el interior de la máquina (Serway, 2002).
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!F% = F# & d#d% !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.3) F% = 50!kgf! & 480!mm280!mm
F% = 86!kgf
La F2 también puede ser dimensionada en Newton [N], sabiendo que:
1[kgf] = !9.8067[N] Por tanto:
F% = 86!kgf & 9.8067!N1kgf = 843.38![N]
La estructura triangular interior desarrolla una fuerza de 843,38 [N] que es
transmitida al sistema de pesas y resortes que aplican el esfuerzo necesario para
que los electrodos ejerzan la presión de soldadura.
La Fuerza F2 obtenida en el extremo estructura triangular interior de la máquina
deberá ser ejecutada por el vástago de un cilindro neumático que será responsable
de la realización del trabajo mecánico.
Para definir las características del cilindro se debe hallar su diámetro, el tipo de
cilindro si es de doble o simple efecto y establecer su posición dentro de la máquina
con el fin de que el vástago realice un cierto desplazamiento con determinada
fuerza.
14
2.1.2. DIMESIONAMIENTO DEL CILINDRO NEUMÁTICO.
Cuando el pie del operario presiona el pedal de la máquina soldadora, el sistema
de resortes y pesas hace que los electrodos se junten y ejerzan presión sobre las
piezas a soldar. Esto implica que el extremo de la estructura triangular se desplace
en el ejey un aproximado de 110 mm desde su posición de reposo.
El eje que se levanta 110 mm por acción del pie del usuario ahora se desplazará a
través del vástago del cilindro implementado, y se denomina a este parámetro como
carrera del cilindro.
La fuerza que desarrollará el vástago del cilindro debe ser mayor a la fuerza F2.
Fcilindro > F2 (2.4)!
La fuerza obtenida por el vástago del cilindro está relacionada con la presión del
aire comprimido y el área del cilindro como se observa a continuación en la
ecuación 2.5 (Serway, 2002):
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!F'*+*,-/: = P & Área'*+*,-/: !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.5)!
Dónde:
Fcilindro es el esfuerzo que desarrolla el vástago del cilindro.
P es la presión del aire comprimido de la fuente de presión.
Áreacilindro es el área de la cámara interna del cilindro.
Los componentes de los sistemas neumáticos aplicados en la industria manejan
presiones estándar de 6 a 7 bares de presión.
Conociendo que:
1bar = 10;!Pa!!!!y!!!1Pa = 1 < Nm%> 6!bar = 6! × !10;!Pa
15
Dónde:
[Pa] es Pascales
[N] es Newton
Ahora se encontrará el área A1, sobre la cual se proyecta en dirección perpendicular
una fuerza de 86 kgf a una presión de 6 bar:
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!?#!! = @%A !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.6) !
B# = 843.38![N]600000! C Nm%D
B# = 1.4056! & 10EG[m%] Si!1[m%] = 1 × 10H[mm%]!se!tieneI!!!!!!!!!!B# = 1.4056! × 10EG[m%] × 1 × 10H[mm%]1[m%]
B# = 1405.6![mm%] Dónde:
A1 es el área útil del pistón del cilindro.
El área A1 se denomina área útil y es donde se aplicará la presión de aire
comprimido para obtener un desplazamiento del vástago hacia adentro o hacia
afuera del cilindro dependiendo el estado inicial del mismo. El diámetro del cilindro
neumático es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza que debe aplicar
el cilindro al sistema de pesas y resortes de la soldadora.
La fuerza desarrollada por el cilindro debe ser mayor a la fuerza calculada en el
extremo del brazo triangular interno de la máquina para ejecutar correctamente el
proceso. En la figura 1.9 se observa el esquema básico del cilindro neumático
donde se representan las áreas que intervienen en el cálculo del área útil.
16
Figura 1.9. Esquema del cilindro neumático.
Dónde:
Aeje es el área del vástago
El área útil dependerá de la posición del cilindro dentro la soldadora y del estado
inicial del vástago, es decir si se encuentra dentro o fuera del cilindro. Para esto se
busca un espacio dentro de la máquina para adaptar el cilindro en una posición
óptima para que realice sin inconvenientes su trabajo.
En el Anexo B1 consta el plano en conjunto que muestra las partes y dimensiones
de la máquina. En este plano se observa que el cilindro está sujetado al cuerpo de
la máquina con dirección hacia el extremo del brazo interior donde su vástago se
une a un eje que se enhiesta para mover el sistema de resortes y pesas cuando se
inicia el proceso. El cilindro será colocado simétricamente dentro de la soldadora al
estar paralelo al eje que es parte del sistema de pesas y resortes.
Se instala el cilindro a una distancia prudente del transformador, elemento principal
del dispositivo eléctrico. Mientras más grande sea el ángulo entre la horizontal y la
17
inclinación del cilindro, el soporte que fija el cilindro al cuerpo de la máquina tendrá
más altura y estará más cerca del transformador pero por otro lado al ejecutarse el
proceso de soldadura, el vástago desarrollara una fuerza superior en el eje y con
respecto al eje x, evento que favorece al incremento de la fuerza que será
transmitida a los electrodos de la soldadora, ver anexo B1. En este plano se detalla
las partes de la soldadora y los componentes que se implementaron como la unidad
de mantenimiento de aire comprimido, el tablero de control, el pedal eléctrico y el
cilindro con sus fijaciones a la máquina.
El cilindro se instala con su vástago desplazado hacia afuera en su posición inicial,
antes de empezar el proceso. El aire comprimido circulará hacia la cámara
delantera del cilindro en el instante que se activa la electroválvula, y al mismo
tiempo el aire de la cámara trasera será desalojado al exterior a través del orificio
correspondiente, de esta manera se logra que el vástago ingrese totalmente al
cilindro. Luego de soldarse las piezas metálicas, el sistema de pesas y resortes se
encargará del avance del vástago para devolverlo al estado inicial del proceso
(como si fuera un cilindro de simple efecto) cuando el paso de aire a la cámara
delantera sea suspendido por la electroválvula. Conociendo el estado inicial del
vástago se empieza a definir todos los aspectos que llevan a obtener la ecuación
del diámetro definitivo del cilindro.
Entonces: !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!B# = B'*+*,-/: $ BJKJ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.7)
Se encuentra el área circular del cilindro y el eje:
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!B'*+*,-/: = L & (d'*+*,-/:)%4 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.8)
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!BJKJ = L & OdQáRUVW:X%4 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.9)
Las ecuaciones 2.8 y 2.9 se reemplazan en la ecuación 2.7 y se obtiene:
18
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!B# = L & Od'*+*,-/:% $ dQáRUVW:%X4 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.10)
Dónde:
dcilindro es el diámetro del cilindro.
dvástago es el diámetro del vástago del cilindro.
En la tabla 2 se muestran distintos diámetros de pistón de los cilindros neumáticos
junto a sus correspondientes diámetros de vástago que se encuentran el mercado.
Diámetro del
pistón (cilindro)
Diámetro del
vástago
40 mm 18 mm
50 mm 20 mm
63 mm 22 mm
80 mm 22 mm
Tabla 2. Diámetros de pistones y vástagos de los cilindros neumáticos
(Navas, 2008).
El diámetro del cilindro neumático es directamente proporcional a la magnitud de la
fuerza que debe aplicar el cilindro al sistema de pesas y resortes de la soldadora.
La ecuación 2.10 se reemplaza en la ecuación 2.5:
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!F' = P & YL & Od'*+*,-/:% $ dQáRUVW:%X4 Z!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.11)
Dónde:
Fc es el esfuerzo que aplica el aire comprimido sobre el área útil del pistón.
19
El cilindro está colocado con un ángulo de inclinación que influye en la fuerza con
la que actúa su vástago y se descompone en una fuerza horizontal Fx y en una
fuerza vertical Fy como ve en la figura 2.0 (Serway, 2002):
Figura. 2.0. Descomposición de la fuerza que desarrolla el cilindro neumático.
Partiendo del diagrama vectorial se deduce la ecuación de Fy:
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!sin 65° = F\F' !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.12)
Dónde:
Fy es componente de Fc en el ejey, y representa el esfuerzo que aplica el vástago
del cilindro al sistema de resortes y pesas.
Se despeja Fy de la ecuación 2.12:
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!F^ = sin 65° & P & _L × `(d'*+*,-/:)% $ OdQáRUVW:X%c4 h!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.13)
En la ecuación 2.13 se reemplaza los valores de la tabla 2 para obtener la
componente de la fuerza que desarrolla el cilindro en el eje y. La magnitud de ésta
fuerza debe ser mayor que F2 como se indica en la ecuación 2.4. Para el diámetro
de cilindro d'*+*,-/: = 0.04![m] y diámetro de vástago dQáRUVW: = 0.018![m], se
encuentra Fy:
20
F^ = sin 65° & j6 × 10; Nm%l & YL × ((0.04m)% $ (0.018m)%)4 Z
F^ = 544.96![N]
La fuerza, Fy= 544.96 [N], que desarrolla el cilindro de diámetro 0.04 [m] no es
mayor a la fuerza mínima requerida F2 = 843.38 [N]. Por tanto se debe buscar un
cilindro de diámetro mayor a éste en el mercado.
Para el diámetro de cilindro d'*+*,-/: = 0.05![m] y diámetro de vástago dQáRUVW: = 0.02![m], se encuentra Fy:
F^ = sin 65° & j6 × 10; Nm%l & YL × ((0.05m)% $ (0.02m)%)4 Z
F^ = 896.88![N]
La fuerza, Fy= 896.88 [N], que desarrolla el cilindro de diámetro 0.05 [m] es mayor
a la fuerza mínima requerida F2=843.38 [N]. Por tanto, el cilindro con estas
características sería el indicado para cumplir el proceso de soldadura, sin embargo
se puede considerar un margen de tolerancia de 10% superior a la magnitud de F2
en caso de que la presión del aire comprimido se reduzca eventualmente por causa
del compresor, es decir F2+10% de Fy= 927.72 [N]. Se debe considerar un cilindro
de diámetro mayor a 0.05 [m].
Para el diámetro de cilindro d'*+*,-/: = 0.063![m] y diámetro de vástago dQáRUVW: = 0.022[!m], se encuentra Fy.
F^ = sin 65° & j6 × 10; Nm%l & YL × ((0.063m)% $ (0.022m)%)4 Z
F^ = 1488.40[N] La fuerza Fy= 1488.40 [N], que desarrolla el cilindro de diámetro 0.063 [m] es mucho
mayor a la fuerza mínima requerida F2 = 843.38 [N]. Por tanto, el cilindro con estas
21
características abarca en su magnitud a F2 incluida su tolerancia y sería el indicado
para ejecutar el proceso de soldadura sin problemas. La fuerza que desarrolla el
cilindro escogido en este caso es muy superior a F2, sin embargo la fuerza Fy en
exceso es regulada por el sistema de pesas y resortes que posee originalmente la
máquina soldadora para obtener la presión de soldadura adecuada.
2.1.3. TIPO DE CILINDRO.
Se utilizará un cilindro de doble efecto porque no necesita de ninguna fuerza interior
para regresar a su posición de inicio luego que haya realizado su trabajo. Cuando
la cámara anterior del cilindro se llena de aire comprimido, observar la figura 2.1, el
vástago retrasa su carrera aplicando el esfuerzo para desplazar el sistema de
resortes y pesas de tal manera que se produzca la soldadura con la presión
adecuada. En la etapa final del proceso, se desconecta la fuente de presión para
que el sistema de pesas y resortes ejerza una fuerza exterior sobre el vástago que
lo hace regresar a su posición de inicio (Serrano, 2004).
Figura 2.1. Cámaras de un cilindro de doble efecto (Jimenez Ruiz, 2012).
2.1.4. PRESIÓN DE SOLDADURA
En la tabla 1 se tienen las distintas fuerzas que deben ejercer los electrodos para
soldar las láminas de trabajo. Ésta fuerza que aplican los electrodos es la
denominada Fy que desarrolla el vástago del cilindro neumático y depende tanto de
la presión del aire comprimido como de la sección de retroceso del émbolo:
22
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!A[Aop] = @[quv]?[wxqz%]!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.14) Donde:
Pe es la presión de entrada al sistema.
Sr es la sección de retroceso del cilindro neumático.
Pero: o{ = ?#
Entonces la sección de retroceso en [pulg2] para el cilindro es:
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!o{ = |(}% $ ~%)4 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(2.15) o{ = 3.14((2.48)% $ (0.86)%)4
o{ = !4.25![wxqz%]
Donde:
D es en diámetro del cilindro en [pulg].
d es el diámetro del vástago en [pulg].
Por ejemplo, para soldar láminas de 0.02 pulgadas de espesor se acude a la tabla
1, allí se observa que la fuerza, Fy, que deben aplicar los electrodos es 400 [lbf].
Para calcular la presión de entrada que permita soldar estas piezas metálicas se
reemplazan las magnitudes de Sr y Fy en la ecuación (2.14), como se muestra a
continuación.
A� = 400[quv]4.25[wxqz%] A� = 94![Aop]
De esta manera se va calculando la presión de aire comprimido que se debe regular
a la entrada del circuito neumático para cada espesor que se detalla en la tabla 3.
23
Espesor en [pulg] Espesor en [mm] Presión de entrada [PSI]
0.020 0.508 94
0.025 0.635 106
0.030 0.762 118
0.035 0.889 141
0.040 1.016 165
0.045 1.143 176
0.050 1.27 188
Tabla 3. Presiones de entrada al circuito neumático.
2.2. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL.
El sistema de control es el encargado de iniciar el proceso y administrar los tiempos
que toma cada etapa del proceso de soldadura (Welding Society American, 1996):
El tiempo de soldadura es el periodo más importante durante el ciclo porque define
en gran medida un punto de soldadura de calidad. Su duración depende del tipo de
material base y su espesor, junto a la corriente de soldadura juegan un papel
fundamental al instante de fusionar el material base. Éste intervalo de tiempo será
regulable dentro del sistema de control a través de una pantalla amigable con el
usuario llamada panel de visualización LOGO! TD. En adición a lo anterior, el
accionamiento del mando para aplicar el esfuerzo sobre las piezas metálicas a ser
soldadas permite elegir dos opciones de funcionamiento de la máquina: manual ó
automático.
La activación de la máquina en modo automático determina que el usuario ya no
aplicará aproximadamente el esfuerzo de 45[kgf] con el pie para obtener la presión
de soldadura. Luego de implementar el sistema de control bastará que el usuario
realice un mínimo apoyo con el pie sobre un nuevo pedal, que es un pulsador
eléctrico, para activar el proceso.
24
La implementación del proyecto considera que la máquina tenga la opción de
funcionar como fue diseñada por el fabricante. La razón es que al implementar el
circuito neumático como fuente de presión para juntar las piezas entre los
electrodos puede darse el caso de que no se disponga aire comprimido en el
laboratorio de mecánica. Anticipándose a que pueda darse esta situación, la
máquina podrá ser operada haciendo un esfuerzo con el pie y logrando como
mejora que el tiempo de soldadura será ingresado por el usuario a través de una
pantalla LOGO! TD conectada al relé lógico programable LOGO! OBA6.
2.2.1. DISPOSITIVO DE CONTROL RELÉ LÓGICO PROGRAMABLE.
La implementación de un sistema de control con alto grado de fiabilidad que se
encargue de regular las etapas del proceso de soldadura necesita el dispositivo de
estado sólido LOGO! OBA6, en el anexo A1 se muestra sus especificaciones, capaz
de ejercer acciones de control mediante el actuador del circuito neumático y el
contactor del circuito eléctrico para automatizar la máquina. El período de tiempo
que circula la corriente de soldadura sobre el metal base a soldar es la variable
física que será regulada por el LOGO! OBA6, como se ve en la figura 2.2.
Figura. 2.2. Logo OBA6
25
Las salidas digitales que usa el LOGO! OBA6 son de tipo on/off, es decir poseen
dos estados: abierto o cerrado (Siemens, 2003). Las señales de entrada para
ejecutar el proceso de soldadura dentro de la implementación del sistema de control
son dos principales:
1. El tiempo de soldadura definido por los ciclos de soldadura que serán
ingresados por el operador a través de una pantalla LOGO! TD (Interfaz
hombre-máquina).
2. Señales digitales de tipo on/off de un selector de tres posiciones para
determinar el funcionamiento de la soldadora en modo manual, automático
o apagado, este elemento va conectado en serie al interruptor mecánico del
sistema de pesas y resortes, o al pedal eléctrico en caso de que la máquina
trabaje en modo automático.
Las salidas del relé lógico programable activan dos dispositivos de mando
principales, el primer elemento es una electroválvula y el otro es un contactor:
1. La electroválvula impide o permite la circulación de aire comprimido, éste
elemento posee una bobina que al ser alimentada con voltaje de 24 VDC deja
pasar el aire comprimido hacia el actuador o cilindro neumático para desplazar
su vástago haciendo que exista un esfuerzo para juntar las piezas metálicas.
2. El contactor cumple la función de interrumpir o dejar pasar la corriente eléctrica
entre sus contactos principales, es gobernado por una bobina con un voltaje
nominal de 220 VAC.
Cuando se cierran los contactos principales del contactor, la corriente circula
por un conmutador de derivaciones antes de dirigirse al primario del
transformador, consecuentemente se induce una corriente en el secundario con
el fin de que se produzca la soldadura en las piezas metálicas (American
Welding Society, 1996).
Existe un elemento mecánico que permite al usuario escoger manualmente la
corriente de soldadura llamado conmutador de derivaciones, como se ve en la
26
figura 2.3, el cual se conecta al arrollamiento primario del transformador en
diferentes puntos de su bobinado con el objetivo que obtener varios niveles de
voltaje en el primario y de esa manera modificar la corriente del arrollamiento
secundario o corriente de soldadura que se ajusta acorde al material de las piezas
a soldar (Chulóshnikov, 1978).
Figura 2.3. Conmutador de derivaciones conectado al primario del
transformador.
2.2.2. PANEL DE VISUALIZACIÓN LOGO! TD
El LOGO! TD (visualizador de textos), observar la figura 2.4, es un interfaz que
permite visualizar mensajes, incorpora cuatro teclas de función que pueden
programarse como entradas en el programa. Dispone de cuatro teclas de cursor,
una tecla ESC y una tecla OK, que también pueden programarse y utilizarse para
la navegación en el LOGO! OBA6. También posee una resolución de 128 x 64 y el
display es de 4 filas. Sus características técnicas se pueden ver en el anexo A2.
Además es posible crear una pantalla inicial para el LOGO! TD y descargarla de
LOGO! Soft Comfort, software de programación del LOGO! (Siemens, 2003).
Figura 2.4. Panel de visualización LOGO! TD (NEX Instrument Inc, 2017).
Conmutador de
derivaciones
Transformador
27
2.2.3. CIRCUITO DE CONTROL DEL PROCESO DE SOLDADURA DE
RESISTENCIA POR PUNTOS.
El proceso inicia con un conmutador de tres posiciones que permite escoger un
proceso de soldadura manual, automático o el apagado de la máquina.
Se determina que la entrada I1 de PLC corresponde al conmutador de tres vías
posicionado en modo automático, éste se encuentra conectado físicamente en serie
a una entrada I2 que pertenece al pulsador activado por pie que da la señal
definitiva para que empiece el proceso de soldadura. Por tanto la salida Q1 será
activada, la cual permite el accionamiento eléctrico de la electroválvula. El aire
comprimido pasa hacia la cámara anterior del actuador consiguiendo que el vástago
salido en posición de reposo retroceda para mover el sistema de resortes y pesas.
En el momento que el sistema de resortes y pesas es desplazado por acción del
cilindro, se inicia la etapa de compresión, en la que la consola superior se mueve
en dirección donde se encuentran las piezas metálicas que serán presionadas por
los electrodos.
Cuando las placas metálicas están totalmente presionadas por los electrodos, la
salida Q2 será activada con el fin de cerrar los contactos principales del contactor
para que la corriente de soldadura seleccionada en el conmutador de derivaciones
pase por el circuito secundario del transformador obteniendo, luego del tiempo de
soldadura escogido por el usuario a través de la interfaz LOGO TD!, una fusión de
los materiales en el punto de contacto, completando de esta manera la segunda
etapa del proceso.
Posteriormente trabajará un temporizador (T.forja), programado dentro del PLC,
que se encargará de desactivar la electroválvula luego del tiempo de forja para así
concluir la tercera etapa del proceso automático de soldadura por punto.
28
La entrada I3 es un paro de emergencia situado en el pedal eléctrico, el cual podrá
activarse en cualquier momento, antes que empiece a circular la corriente de
soldadura, para detener el proceso.
Existe la entrada I4 que pertenece al conmutador posicionado en modo manual,
éste se encuentra conectado físicamente en serie a un interruptor mecánico
ubicado en el sistema de resortes y pesas. Se necesita aplicar el esfuerzo de
soldadura con el pie sobre el pedal genuino de la máquina para cerrar los contactos
de éste interruptor
La señal de entrada I4 (in) LOGO! OBA6 activará la salida Q3 después de que los
contactos del interruptor mecánico se cierren, es decir cuando se tenga la presión
adecuada para efectuar la unión de las piezas. Q3 alimenta la bobina del contactor
haciendo que sus contactos principales se cierren y dejen circular la corriente
durante el tiempo de soldadura escogido en el interfaz LOGO! TD. Finalmente se
deja de realizar el esfuerzo con el pie luego del periodo de forja (determinado por
el usuario) para concluir el proceso.
Además se programó una señal de salida que encenderá un foco cuando el proceso
está ejecutándose. El circuito electromecánico del control de soldadura por punto
que será instalado en la máquina se encuentra en el anexo B2.
2.2.4. PROGRAMACIÓN DEL LOGO! OBA6
Se procede a realizar el programa a través del Software LOGO SOFT CONFORT
V6.1 con las entradas y salidas referidas anteriormente (Siemens, 2003). El circuito
electromecánico será la base para diseñar el esquema eléctrico donde constan las
siguientes partes:
1. Fuente de presión activada en modo automático.
2. Etapa de compresión.
3. Tiempo de soldadura en modo automático.
4. Etapa de Forja.
29
5. Paro de emergencia.
6. Tiempo de soldadura en modo manual.
7. Texto de aviso en LOGO TD!.
2.2.5. PROGRAMACIÓN DE LA FUENTE DE PRESIÓN EN MODO
AUTOMÁTICO.
La entrada I1 del selector en modo automático y la entrada I2 del pulsador del pedal,
se conectan al bloque de función lógica AND. Cuando las dos entradas están
activadas producirán un enclavamiento de la salida Q1, que pertenece a la
electroválvula. Observar la figura 2.5.
Figura 2.5. Esquema de programación del encendido de la fuente de presión.
2.2.6. PROGRAMACIÓN DE LA ETAPA DE COMPRESIÓN.
La activación de la salida Q1 (electroválvula) enclava la operación de un
temporizador de retado a la conexión B005 que permite el transcurso del tiempo de
compresión. Se observa la programación de esta etapa en la figura 2.6.
Figura 2.6. Esquema de programación del tiempo de compresión.
30
2.2.7. PROGRAMACIÓN DEL TIEMPO DE SOLDADURA EN MODO
AUTOMÁTICO.
Luego que concluyó el tiempo de compresión se activa la salida Q2 que pertenece
a la bobina del contactor, la cual cierra los contactos principales del mismo para
que circule la corriente de soldadura y también se enclava un temporizador de
retado a la conexión B007 que permite controlar el tiempo de soldadura. Como se
ve en la figura 2.7.
Figura 2.7. Esquema de programación del tiempo de soldadura en modo
automático.
2.2.8. PROGRAMACIÓN DE LA ETAPA DE FORJA.
Cuando termina el tiempo de soldadura, el temporizador B007 desactiva la salida
Q2 y activa el enclavamiento del temporizador de retado a la conexión que inicia el
conteo del tiempo de forja. Cuando se concluye este periodo se desactiva la salida
Q1 y además se inicia el conteo de un temporizador con retardo a la desconexión
para evitar la activación del proceso en modo manual cuando transcurre esta etapa.
Se observa la programación en la figura 2.8.
31
Figura 2.8. Esquema de programación del tiempo de forja.
2.2.9. PROGRAMACIÓN DEL PARO DE EMERGENCIA.
La entrada I3 es el paro de emergencia que desenclava la salida Q1, por tanto
suspende la consecución del proceso automático y también bloquea la activación
del proceso en modo manual. Se observa su programación en la figura 2.9.
Figura 2.9. Esquema de programación del paro de emergencia.
2.2.10. PROGRAMACIÓN DEL TIEMPO DE SOLDADURA EN MODO MANUAL.
La entrada I4 pertenece al pedal original de la máquina, cuando existe cierto
esfuerzo aplicado por el pie del operario se produce el enclavamiento de la salida
Q3 y de un temporizador con retardo a la conexión B022, que inicia el conteo del
tiempo de soldadura en modo manual y luego de su transcurso empieza a trabajar
un segundo temporizador pero con retardo a la desconexión B026, que evita que
32
se inicie otro proceso apenas se haya terminado el anterior, ya que se puede activar
de nuevo la salida Q3 dentro de la etapa de forja que controla el operario con el
pedal de pie, ver la figura 3.0.
Figura 3.0. Esquema de programación del tiempo de soldadura en modo manual.
2.2.11. PROGRAMACIÓN DEL TEXTO EN LOGO TD!
La programación de la pantalla LOGO TD!, ver la figura 3, tiene como objetivo
manipular el tiempo de soldadura medido en ciclos, cada uno representa 1/60 [s].
Se usa las teclas de función F1 y F2 que incorpora la pantalla LOGO TD! para
incrementar o dismuir los ciclos de soldadura utlizando un bloque denominado
“contador”. La rutina contempla un bloque llamado “aritmética lógica” que realiza
ciertas operaciones con el valor que se tiene en el contador para obtener el tiempo
de soldadura en segundos.
Figura 3.1. Esquema de programación del texto en logo TD!
33
2.3. IMPLEMENTACIÓN DEL PROYECTO
El circuito neumático que se implementará en la soldadora se puede observar en el
anexo B3. A continuación se detalla la implementación de todos los elementos
neumáticos y de control que se instalarán en la máquina.
2.3.1. MONTAJE DEL CILINDRO NEUMÁTICO EN LA MÁQUINA
Para asegurar que los cilindros estén montados correctamente, los fabricantes
ofrecen una gama de fijaciones, como se ve en la figura 3.2, que satisfacen todos
los requisitos, incluido el movimiento oscilante, utilizando fijaciones de este tipo
(Serrano, 2004).
Figura 3.2. Varios métodos de fijación del cilindro (Navas, 2008).
34
El método instalado en la máquina es horquilla posterior y se ajusta a los
parámetros calculados en el diseño del mando neumático. El cilindro se posiciona
de manera que el sistema de pesas y resortes se mueva verticalmente cuando la
carrera del vástago se encuentra en su máxima longitud: 110 mm, como se ve en
la figura 3.3. Es así como el actuador realiza el mismo trabajo que haría el pedal al
ser presionado con el pie, la carrera del cilindro es retrocedida totalmente,
consiguiendo que los electrodos se acerquen a las piezas a soldar.
Fig. 3.3. Cilindro neumático instalado en la máquina.
El cilindro instalado de marca Mindman posee el código MCQI 11-63-125. Se puede
observar sus especificaciones en el anexo A3. El número 11 se refiere a un cilindro
de un solo vástago y de doble efecto, el segundo número 63, nos indica su diámetro
interior en milímetros y el tercer número 125, establece la carrera que se desplaza
el vástago igualmente en milímetros.
2.3.2 MONTAJE DE LA ELECTROVÁLVULA Y SU MANDO EN LA MÁQUINA.
Se instalará un pedal eléctrico, como se ve en la figura 3.4, de igual función a un
pulsador, el cual inicia el proceso de soldadura en modo automático ocasionando
que el circuito de control envíe una señal de salida que excita la solenoide de la
electroválvula para que cambie de posición y deje pasar el aire comprimido hacia
el actuador.
35
Figura 3.4. Pedal eléctrico y pedal genuino de la máquina.
La electroválvula de marca Mindman tiene como código MSVC -220-3E2, como se
ve en la figura 3.5. Se puede observar sus especificaciones en el anexo A4. El
código MSVC se refiere a su modelo, el segundo número 220 indica el ancho de
cuerpo del elemento y el tercer grupo de números representa:
Ø 3 son las vías por donde circula el aire comprimido
Ø E2 significa que posee doble selenoide.
Figura 3.5. Electroválvula MSVC -220-3E2 instalada en la soldadora.
La electroválvula se sitúa en el interior del cuerpo de la máquina y se ajusta a ella
mediante dos tornillos y tuercas que permiten mantenerla firme en la posición
dispuesta. Está energizada con un voltaje de 24 VDC que proviene de una fuente
de alimentación de corriente continua instalada en el circuito de control. La
electroválvula es energizada cuando la salida Q1 del LOGO! OBA6 es activada
Pedal genuino Pulsador eléctrico
activado por pie
Botón de paro de emergencia
tipo hongo
36
2.3.3. MONTAJE DE LA UNIDAD DE MANTENIMIENTO DE AIRE
COMPRIMIDO.
La unidad de mantenimiento debe localizarse en un lugar accesible a la toma de
aire comprimido proveniente del compresor y también cercana a los demás
elementos que componen el circuito neumático, ver la figura 3.6. Por esta razón se
encuentra en la pared lateral exterior del gabinete de control. Las especificaciones
de este elemento se muestran en el anexo A5. La unidad de mantenimiento
instalada es de marca Mindman, le corresponde el código MACP300-8A, también
posee un filtro para apartar impurezas, un lubricador de aire para asegurar el
movimiento relativo (como el vástago del cilindro neumático) y un regulador de
presión que se maneja dentro de un rango de 0 a 0.99 MPa (0 a 9.9 kgf/cm2). Por
tanto el aire comprimido que se ha sometido al tratamiento provisto por la unidad
de mantenimiento está listo para circular en óptimas condiciones por todo el circuito
neumático (Serrano, 2004).
Figura 3.6. Unidad de mantenimiento de aire comprimido MACP300-8A
2.3.4. MONTAJE DEL GABINETE DE CONTROL.
El gabinete marca BEAUCOUP es de servicio liviano, consta de un cuerpo en
lámina de acero de 0.8 mm de espesor, una puerta de 1.0 mm, y placa de montaje
o lámina de fondo de 1.20 mm de espesor como se ve en la figura 3.7. La puerta
posee un empaque de poliuretano expandido, cerradura de montaje rápido tipo
universal y bisagras reforzadas de acero.
37
Fig. 3.7. Gabinete de control de servicio liviano con placa de montaje color
naranja ( BEAUCOUP, 2014).
En el interior del gabinete residen los dispositivos de mando y protección eléctrica
de la soldadora. Las dimensiones del gabinete (fueron escogidas en función del
espacio que ocupan los dispositivos eléctricos instalados sobre la lámina de fondo)
son 400 mm de alto, 300 mm de ancho y 200 mm de profundidad (
BEAUCOUP, 2014).
Una barra de metal llamada carril DIN acopla los dispositivos eléctricos de mando
y protección a la placa de montaje y se ubica en la parte superior de la máquina
como se observa en la figura 3.8. El gabinete en esta posición es accesible a los
operadores, también se encuentra cercano al mando para aplicar el esfuerzo y al
contactor responsable de la circulación de corriente por el secundario del
transformador.
Figura. 3.8. Ubicación gabinete de control.
38
2.3.5. MONTAJE DE LOS DISPOSITIVOS DE MANDO Y PROTECCIÓN.
Los dispositivos de mando y protección que se instalaron en la placa de montaje
ajustados a través de un rail DIN son los siguientes (ver figura 3.9):
Ø El relé lógico programable LOGO OAB6
Ø Una fuente de corriente continua LOGO Power.
Ø Dos interruptores magnetotérmicos (protección eléctrica).
Ø Borneras de Riel.
Los siguientes accesorios de gabinete son útiles para realizar las conexiones entre
los elementos instalados en la placa de montaje, de igual manera se observan en
la figura 3.9.
Ø Canaleta ranurada.
Ø Conductor de cobre flexible #18 AWG.
Ø Conductor de cobre flexible #16 AWG.
Ø Marcas exterior.
La canaleta ranurada encamina los conductores eléctricos para realizar las
conexiones de manera estética y ordenada. Para la alimentación de dispositivos
que funcionan con corriente continua se utilizó conductor con aislante de color rojo
para identificar el positivo y azul para el negativo.
Los cables con aislante de color blanco y amarillo fueron utilizados para suministrar
corriente alterna al contactor y a la fuente de poder LOGO! POWER.
Las marcas exteriores revisten los conductores antes de cada conexión para
identificarlos en el plano eléctrico y son de gran utilidad en pruebas de continuidad
para identificar fallas en el circuito.
39
Figura. 3.9. Lámina de fondo con los dispositivos de mando y protección
instalados.
La pantalla de visualización LOGO TD también consta como un dispositivo de
mando pero está colocada en la puerta delantera del gabinete de control. Ver la
figura 4.0.
¡
Figura 4.0.Interfaz de la soldadora de punto.
La puerta delantera del gabinete aloja la pantalla de visualización LOGO! TD, el
selector de mando manual y/o automático y una luz piloto que se enciende
cuando el proceso está en marcha.
40
2.4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Se realiza pruebas de la pantalla LOGO TD! que muestran las etapas del proceso
de soldadura en el momento que la máquina funciona. Además, se efectúan
pruebas destructivas de uniones soldadas hechas con láminas de acero de bajo
carbono de tres espesores diferentes en modo manual y automático. Los puntos de
soldadura son realizados según los parámetros establecidos en la tabla 1 en cuanto
a presión, corriente y tiempo de soldadura en modo automático. En modo manual,
se considera que la presión que ejerce el usuario al aplastar el pedal de la soldadora
es aproximadamente 45 kgf.
2.4.1. PRUEBAS EN LA PANTALLA LOGO TD!
Cuando se activa la máquina en modo automático, la pantalla LOGO TD! muestra
la primera etapa del proceso de soldadura llamada periodo de compresión, como
se ve en la figura 4.1. En esta etapa los electrodos hacen contacto con las piezas
metálicas para aplicar la presión de trabajo antes de que circule la corriente de
soldadura.
Figura 4.1. Periodo de compresión.
En la figura 4.2 se observa que la pantalla LOGO TD! anuncia la segunda etapa del
proceso llamada periodo de soldadura. Durante esta etapa, la corriente del
41
devanado secundario del transformador circula por medio de los electrodos hacia
las piezas de trabajo para unirlas en un punto. La luz verde indica que la máquina
está encendida.
Figura 4.2. Periodo de soldadura.
En la figura 4.3 se observa la tercera etapa del proceso de soldadura llamada
periodo de forja, y es el tiempo durante el cual se mantiene la presión de trabajo
sobre las piezas metálicas después del término del último impulso de corriente. Al
finalizar este periodo se obtiene una pepita de soldadura solidificada con suficiente
resistencia mecánica dado el enfriamiento que se produjo.
Figura 4.3. Periodo de forja
42
2.4.2. PRUEBA DESTRUCTIVA CON MATERIAL 0.025 PULG.
En la figura 4.4 se observa una soldadura por punto y su pepita, en piezas de 0.025
pulgadas de espesor, realizada en modo automático. Se aplicó una corriente de 5
KA, un tiempo de soldadura de 16 ciclos y 40PSI. Luego de realizar la prueba
destructiva del punto, se mide el diámetro de la pepita y se lee 0.12 pulgadas.
Figura 4.4. Pepita obtenida en modo automático con piezas 0.025 pulgadas.
Ahora se realizará en modo manual un punto de soldadura sobre piezas metálicas
del mismo espesor, parámetros idénticos de corriente y tiempo de soldadura, como
se ve en la figura 4.5. El esfuerzo para unir las piezas es aplicado por el usuario al
aplastar el pedal con el pie y es aproximadamente 45kgf. Luego de realizar la
prueba destructiva del punto, se mide el diámetro de la pepita y se lee 0.13
pulgadas.
Figura 4.5. Pepita obtenida en modo manual con piezas 0.025 pulgadas.
43
2.4.3. PRUEBA DESTRUCTIVA CON MATERIAL 0.030 PULG.
En la figura 4.6 se observa una soldadura por punto y su pepita, en piezas de 0.030
pulgadas de espesor, ejecutada en modo automático. Se aplicó una corriente de 6
KA, un tiempo de soldadura de 18 ciclos y una presión de 50 psi. Luego de realizar
la prueba destructiva del punto, se mide el diámetro de la pepita y se lee 0.14
pulgadas.
Figura 4.6. Pepita obtenida en modo automático con piezas 0.030 pulgadas.
A continuación se efectuará en modo manual un punto de soldadura sobre piezas
metálicas de espesor 0.030pulg, parámetros iguales de corriente y tiempo de
soldadura, como se muestra en la figura 4.7. El esfuerzo para unir las piezas es
aplicado por el usuario al aplastar el pedal con el pie y es aproximadamente 45kgf.
Luego de realizar la prueba destructiva del punto, se mide el diámetro de la pepita
y se lee 0.14 pulgadas.
Figura 4.7. Pepita obtenida en modo manual con piezas 0.030 pulgadas.
44
2.4.4. PRUEBA DESTRUCTIVA CON MATERIAL 0.040 PULG.
En la figura 4.8 se observa una soldadura por punto y su pepita, en piezas de 0.040
pulgadas de espesor, efectuada en modo automático. Se aplicó una corriente de
8KA, un tiempo de soldadura de 20 ciclos y una presión de 70 psi. Luego de realizar
la prueba destructiva del punto, se mide el diámetro de la pepita y se lee 0.18
pulgadas.
Figura 4.8. Pepita obtenida en modo automático con piezas 0.040 pulgadas.
Posteriormente se ejecutará en modo manual un punto de soldadura sobre piezas
metálicas de espesor 0.040 pulg, parámetros iguales de corriente y tiempo de
soldadura, como se muestra en la figura 4.9. El esfuerzo para unir las piezas es
aplicado por el usuario al aplastar el pedal con el pie y es aproximadamente 45kgf.
Luego de realizar la prueba destructiva del punto, se mide el diámetro de la pepita
y se lee 0.16 pulgadas.
Figura 4.9. Pepita obtenida en modo manual con piezas 0.040 pulgadas.
45
CAPÍTULO 3
RESULTADOS OBTENIDOS
3.1. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Se analizará los resultados de las pruebas de funcionamiento de la pantalla LOGO!
TD y se compara la calidad de las uniones soldadas utilizando la máquina tanto en
modo automático como en modo manual.
3.1.1. FUNCIONAMIENTO DE LA PANTALLA LOGO TD!
Se observa que la pantalla LOGO! TD indica las tres primeras etapas del proceso
de soldadura en el lapso que se unen las piezas de trabajo. La cuarta etapa
conocida como tiempo off, que es el periodo durante el cual los electrodos se
despegan de las piezas y vuelven a su posición inicial, no se observa en la pantalla
porque después del periodo de forja la pepita de soldadura está consolidada y su
anunciación no es relevante.
3.1.2. CALIDAD DE SOLDADURA DE LAS UNIONES.
En la tabla 4 se pueden observar los parámetros de los puntos de soldadura que
fueron sometidos a pruebas destructivas, las mismas que se observan desde el
numeral 2.4.2 hasta el 2.4.4.
Estos ensayos fueron realizados con el propósito de establecer si la calidad de las
uniones hechas con la máquina en modo automático es mejor que la calidad
obtenida en puntos de soldadura ejecutados en modo manual.
46
Tabla 4. Parámetros de puntos de soldadura obtenidos en modo
manual y en modo automático.
Para conocer si un punto de soldadura es de buena calidad, es decir que posea
una alta resistencia mecánica, el diámetro de la pepita debe corresponder a los
parámetros del proceso y espesor de las láminas que se muestran en la tabla 1. Se
escogió tres espesores diferentes para comparar los diámetros de las pepitas
obtenidos en los dos modos de operación de la máquina, y se pudo determinar lo
siguiente:
· Las piezas mecánicas de 0.025 pulgadas de espesor soldadas con la maquina
en modo automático reflejaron un diámetro de la pepita de 0.12 pulgadas que
se ajusta con lo que detalla el manual AWS, mientras que la unión soldada con
los mismos parámetros, pero con la máquina en modo manual da como
resultado un diámetro de 0.13 pulgadas que no corresponde al que especifica
la tabla de la AWS.
· En el caso de las láminas con espesor 0.030 pulgadas, las uniones soldadas
con los dos modos de operación de la máquina reflejan un diámetro idéntico de
la pepita. En este caso la presión de soldadura obtenida aplastando el pedal con
el pie es similar a la solicitada en la tabla 1. Por tanto estos puntos de soldadura
cumplen con el diámetro de la pepita que recomienda la AWS.
· El ensayo destructivo de la unión de las láminas de 0.040 pulgadas de espesor
realizado con la soldadora en modo automático, da como resultado un diámetro
de la pepita de 0.18 pulgadas, que es igual al que determina la AWS para
obtener un punto de calidad, mientras que la unión obtenida con los mismos
parámetros pero realizada con la máquina en modo manual, da un diámetro de
Modo de
operaciónEspesor[pulg]
Fuente de
Presión
Corriente
[KA]Ciclos[1/60 s]
Atomático 0,025 40 PSI 5 16Manual 0,025 45 PSI 5 16
Atomático 0,030 50 PSI 6 18Manual 0,030 45 PSI 6 18
Atomático 0,040 70 PSI 8 20Manual 0,040 45 PSI 8 20
SINo
0,12
0,14
Cumple el parametro
de calidad de
soldadura
SINoSISI0,14
0,180,16
Diametro de la pepita
según AWS [pulg]
Lectura diametro
de la pepita [pulg]
0,120,130,14
0,18
47
pepita de 0.16 pulgadas, el cual no cumple con lo que determina la AWS para
lograr un punto de soldadura de calidad.
3.1.3. MEJORAS QUE OFRECE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE
CONTROL
A continuación se indican varios puntos que mejoraron el funcionamiento y el uso
de la máquina con la implementación del sistema de control:
Ø Según las lecturas de diámetro de pepita tomados de las pruebas destructivas
mencionadas en la tabla 3, las uniones soldadas hechas con la máquina en
modo automático son de mejor calidad que las realizadas con la soldadora en
modo manual porque se puede regular la presión que ejercen los electrodos
sobre las placas y se puede controlar el tiempo de soldadura de manera digital
por medio de la pantalla LOGO! TD.
Ø La implementación del sistema de control permite que la máquina no solo se
pueda utilizar en las prácticas de soldadura dentro de la EPN, sino que también
se pueda emplear en la producción de ensamblados de lámina metálica de
acero bajo al carbono y acero inoxidable.
Ø La máquina posee un rango de corriente de soldadura de 4KA a 9KA, al conocer
esta característica de la máquina se podrían soldar piezas de hasta 0.025
pulgadas de espesor según la tabla 1 de la AWS, sin embargo, se lograría unir
láminas de mayores espesores si se compensa la corriente que nos falta con el
aumento de la presión y los ciclos de soldadura. Se sugiere configurar los
parámetros de soldadura según el espesor de las láminas de acuerdo a la tabla
1 para obtener una soldadura de buena calidad.
Ø La unidad de mantenimiento de aire comprimido que compone el circuito
neumático permite regular la presión de soldadura de manera que se pueda
ajustar éste parámetro de acuerdo al valor que especifica la tabla 1 de la AWS
según el espesor de las piezas a soldar.
48
3.2. CONCLUSIONES
Ø Se logró implementar un sistema de control en la soldadora de resistencia por
puntos marca KYWI que regula el tiempo de soldadura de manera digital y
permite controlar la presión para unir las piezas de trabajo.
Ø Se determina que el proceso de soldadura de resistencia por punto depende de
la configuración adecuada del tiempo de soldadura, corriente y presión que
ejercen los electrodos sobre las piezas de trabajo para obtener una unión de
alta resistencia mecánica que se verifica en el diámetro de la pepita de
soldadura según la tabal 1 de la AWS.
Ø La soldadora de marca Kywi posee un pedal que al aplastar hace mover un
sistema de resortes y pesas, el cual permite desarrollar un esfuerzo sobre las
piezas de trabajo, a través de los electrodos. Un contactor deja pasar la corriente
de soldadura sobre las láminas para que produzca el calor necesario que funda
las láminas durante un tiempo determinado. Este periodo se mide en ciclos de
soldadura, 1/60 [s], el cual se regula con un temporizador on-delay.
Ø Se elige un relé lógico programable, LOGO! OBA6, para controlar el proceso de
soldadura, sus entradas pertenecen a un selector de tres posiciones para indicar
el modo de operación de la máquina, un paro de emergencia y un pedal eléctrico
que activa las salidas del relé lógico programable que comandan un circuito
neumático y el circuito eléctrico de la máquina.
Ø La implementación del sistema de control incorpora una pantalla LOGO! TD,
que a través de sus teclas F1 Y F2 permite regular el tiempo de soldadura de
manera digital, el cual es la variable que opera el relé lógico programable LOGO!
OBA6.
Ø La dimensión del cilindro neumático que mueve los electrodos hacia las láminas
de metal se calculó de acuerdo al esfuerzo que aplica el usuario con el pie sobre
el pedal de la máquina. La programación en el software del LOGO! OBA6
49
permite activar sus salidas de manera digital para energizar el cilindro neumático
neumático y el contactor del circuito eléctrico.
3.3. RECOMEDACIONES
Ø Mejorar el proceso de soldadura implementando un sistema de refrigeración
en los electrodos de la máquina para que no se recalienten.
Ø Implementar un sistema de control para regular la magnitud de la corriente
de soldadura utilizando un microprocesador y un circuito electrónico de
potencia.
BIBLIOGRAFÍA
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. BEAUCOUP. (2014). Gabinetes de control. Catálogos de productos
BEAUCOUP, 30-40.
2. American Welding Society. (1996). Manual de soldadura (8a ed., Vol. II). (R. Escalona Garcia, Trad.) Naucalpan de Juárez: Prentice Hall - Hispanoamericana.
3. Chulóshnikov, P. L. (1978). Soldadura de Contacto. Moscú: Mir.
4. Jimenez Ruiz, A. (Mayo de 2012). Sistemas neumàticos. Obtenido de http://neumaticabasicaeepp.wordpress.com/44-2/receptores-neumaticos/consumo-de-aire
5. Navas, M. (2008). UNITECH. Obtenido de http://www.unitech.com.ec/noticias.php
6. NEX Instrument Inc. (2017). SIEMENS LOGO! TD TEXT DISPLAY. Obtenido de https://www.nexinstrument.com/6ED1055-4MH00-0BA0
7. Serrano, A. (2004). Neumática (Quinta ed.). Madrid: Paraninfo.
8. Serway, R. A. (2002). Física para ciencias e ingeniería (Quinta ed.). México: McGRAW-HILL.
50
9. Siemens. (Junio de 2003). LOGO! Obtenido de https://cache.industry.siemens.com/dl/files/461/16527461/att_82567/v1/Logo_s.pdf
ANEXO A: MANUALES TÉCNICOS
ANEXO A1
ESPECIFICACIONES DE LOGO! OBA6
51
52
53
ANEXO A2
CARÁCTERÍSTICAS DE LA PANTALLA LOGO! TD
54
ANEXO A3
ESPECIFICACIONES DEL CILINDRO NEUMÁTICO
55
ANEXO A4
ESPECIFICACIONES DE LA ELECTROVÁLVULA
56
ANEXO A5
ESPECIFICACIONES DE LA UNIDAD DE MANTENIMIENTO DE AIRE
COMPRIMIDO
57
ANEXO B: PLANOS O DIGRÁMAS ELÉCTRICOS